Einführung / Motivation
Welcher von euch Schülern mag es wirklich, schwere Gegenstände zu heben oder zu bewegen? Solch anstrengende Arbeit verbraucht unsere Energie und lässt uns oft sehr müde und müde und manchmal verletzt fühlen, wenn wir Gegenstände falsch heben oder bewegen. Dieses unglückliche Ergebnis ist genau der Grund, warum Ingenieure ständig darüber nachdenken, wie wir leichter arbeiten können-damit wir klüger und nicht härter arbeiten können. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht darin, Maschinen zu entwerfen, die die Arbeit einfacher und effizienter machen., Genauer gesagt besteht jede Maschine heute aus einer oder mehreren der sechs bekannten einfachen Maschinen — den Grundkomponenten aller mechanischen Maschinen. In dieser Lektion werden wir drei dieser nützlichen Geräte im Detail untersuchen: die geneigte Ebene, den Keil und die Schraube. Obwohl Ingenieure jede dieser drei einfachen Maschinen für unterschiedliche Zwecke verwenden, arbeiten sie alle nach den gleichen mechanischen Prinzipien.
Bevor wir weiter gehen, brauchen wir einen kurzen Überblick über die wesentlichen Prinzipien einfacher Maschinen (die sich beim Studium jeder einzelnen Maschine als besonders hilfreich erweisen)., Die wichtigste Tatsache ist, dass einfache Maschinen niemals die Menge der geleisteten Arbeit ändern, sondern nur die Art und Weise, wie Arbeit geleistet wird. Schauen wir uns die Definition von Arbeit an, die als Produkt von Kraft und Entfernung definiert und mathematisch geschrieben ist als:
Da sich der Arbeitsaufwand für eine bestimmte Aufgabe nicht ändert, bleibt dieser Wert konstant. Tatsächlich können jedoch sowohl Kraft als auch Entfernung geändert werden., Einfache Maschinen erledigen Arbeiten oft anders, indem sie die Eingangskraft oder Anstrengung über eine größere Entfernung anwenden, um die Arbeit zu erleichtern. Das heißt, um die für die Arbeit erforderliche Kraft zu reduzieren, muss der Abstand proportional erhöht werden. Nehmen wir zum Beispiel an, der Ingenieur muss 20 Joule arbeiten. Sie kann dies auf viele verschiedene Arten erreichen, darunter eine Kraft von 20 Newton über eine Entfernung von 1 Meter. Ein einfacheres Verfahren kann jedoch die Anwendung einer bloßen Kraft von 2 Newton über eine Entfernung von 10 Metern beinhalten., In beiden Fällen erledigt Emma die gleiche Arbeit; Es ist jedoch viel einfacher für sie, dies durch weniger Kraft über eine weitere Entfernung zu erreichen. Abbildung 2 zeigt, wie die gleiche Menge an Arbeit auf viele verschiedene Arten erreicht werden kann, obwohl einige Wege sind einfacher — oder effizienter — als andere. Dies ist bei Verwendung einer Maschine der Fall.
Geneigte Ebene
Die geneigte Ebene (siehe Abbildung 3) ist vielleicht die älteste und rudimentärste einfache Maschine, die Ingenieuren bekannt ist. In der Tat fragen sich viele von Ihnen wahrscheinlich, wie eine schräge Oberfläche möglicherweise als „Maschine“ klassifiziert werden könnte.“Dennoch gibt dieses Gerät Ingenieuren die außergewöhnliche Fähigkeit, schwere Gegenstände mit Leichtigkeit in eine höhere Position zu heben.
Die Schlüsselidee hierbei ist, dass weniger Aufwand erforderlich ist, wenn eine Last über eine lange Rampe oder einen geneigten Pfad übertragen wird, anstatt sie direkt über einen vertikalen Pfad zu heben. Zum Beispiel haben Sie vielleicht bemerkt, wie Mover sehr schwere Gegenstände wie ein Klavier in die Rückseite ihres fahrenden Lastwagens bewegen. Offensichtlich können sie ein so schweres Möbelstück nicht einfach direkt auf und in den Rücken ihres Lastwagens heben., Stattdessen verwenden sie eine lange Rampe — oder eine geneigte Ebene -, um den Job abzuschließen. Diese Idee wurde vor langer Zeit von den alten Ägyptern verwendet: Sie nutzten die geneigte Ebene und die menschliche Kraft, um monumentale Strukturen in erstaunlichen Höhen zu errichten. Noch heute setzen Ingenieure die schiefe Ebene in vielen anderen Anwendungen ein, um scheinbar unmögliche Aufgaben zu erfüllen. Nur einige dieser Beispiele sind Rollstuhlrampen, Rolltreppen, Treppen, Autobahnen und sogar Wanderwege, die alle auf der geneigten Ebene beruhen, um schwere Gegenstände leichter anzuheben.,
Wedge
Neben dem Heben schwerer Gegenstände sind Ingenieure auch daran interessiert, Material mit möglichst geringem Aufwand zu spalten oder zu trennen. In diesem Fall verwenden Ingenieure einen Keil, so dass Aufgaben wie das Hacken von Brennholz, das Schneiden von Papier und das Mähen unserer Höfe viel einfacher werden. Der Keil, wie in Abbildung 4 dargestellt, ist eine einfache Maschine, die oft als leichte Variation der geneigten Ebene angesehen wird, da sie wirklich aus zwei geneigten Ebenen besteht, die nach hinten zurückgesetzt sind. Dadurch ist ein Ende dicker als das andere, so dass eine scharfe Schneide gebildet wird.,
Während es wahr ist, dass der Keil der geneigten Ebene physisch sehr ähnlich ist, verwenden Ingenieure diese Maschine für etwas andere Zwecke. Die geneigte Ebene dient dazu, schwere Gegenstände über eine stationäre Oberfläche zu transportieren, während sich der Keil selbst bewegen kann, um Objekte zu bewegen oder anzuheben., Daher ist der Keil im Wesentlichen eine geneigte Ebene in Bewegung. Wenn ein Keil bewegt wird, wird eine Vorwärtskraft in die nach außen gerichtete oder trennende Kraft umgewandelt, die zum Trennen oder Spalten von Material verwendet wird.
Obwohl der Keil auch zum Anheben oder Bewegen von Objekten aus kurzer Entfernung verwendet werden kann, wurde er im Laufe der Geschichte hauptsächlich als wertvolles Schneidgerät verwendet. Eine Axt ist ein klassisches Beispiel dafür, wie ein Keil verwendet wird, um die Arbeit zu erleichtern. Können Sie sich vorstellen, wie schwer es wäre, einen Baum zu fällen oder Holz ohne Axt zu hacken?, Selbst die stärksten Männer, die ein Stück Holz in entgegengesetzte Richtungen zogen, konnten die Arbeit nicht abschließen. Doch im Allgemeinen wird ein kräftiger Schwung einer Axt das Kunststück mit wenig Aufwand erreichen.
Neben der Axt nutzen auch andere bekannte Werkzeuge wie Messer, Schaufel, Pflug und Schere den Keil, um gebundenes Material leicht zu trennen. Können Sie an andere Geräte denken, bei denen der Keil am Werk ist? Manchmal ist es schwierig, den Keil in den verschiedenen technischen Designs heute wegen der vielen verschiedenen Erscheinungen zu identifizieren, die er haben kann., Es ist jedoch interessant, wenn wir erkennen, wo sich der Keil auch an so vielen unbekannten Orten befindet, wie dem Rumpf eines Schiffes, Flugzeugflügeln und sogar unseren Frontzähnen!
Schraube
Während alle sechs einfachen Maschinen ihre eigenen Eigenschaften haben, kann nur die Schraube eine Rotationskraft in eine günstige Linearkraft umwandeln. Diese Eigenschaft ist in vielen technischen Anwendungen wünschenswert, in denen Rotationsbewegung die einzige Quelle der Anstrengung ist, die zur Ausführung von Arbeiten zur Verfügung steht, wie ein Strahltriebwerk., Ähnlich wie der Keil ist die Schraube (siehe Abbildung 5) auch eng mit der schiefen Ebene verbunden, da sie tatsächlich aus einer um einen Zylinder gewickelten schiefen Ebene besteht. Die spiralförmigen Kanten um die zylindrische Oberfläche, die üblicherweise als Schraubgewinde bezeichnet werden, verleihen der Schraube ihre Arbeitsfähigkeit.
Da Ingenieure diese Maschine auf zwei verschiedene unabhängige Anwendungen anwenden können, hat die Schraube zwei allgemeine Klassifikationen: die Befestigungsschraube und die Hubschraube. Im Gegensatz zu dem Keil, der mit der Fähigkeit zum Schneiden und Trennen von Material ausgelegt ist, wird die Befestigungsschraube verwendet, um zwei Materialstücke zu befestigen und miteinander zu verbinden. Diese Art von Schraube hat normalerweise scharfe Gewinde, die in die Teile schneiden, die zusammengefügt werden. Die Materialien werden schließlich zusammengedrückt und zwischen dem Kopf der Schraube und ihren Gewinden zusammengehalten., Reibung durch die rauen Gewinde hingegen verhindert, dass sich die Schraube im Laufe der Zeit löst.
Die Hubschraube ist die andere Art von Schraube, die hauptsächlich zum Heben oder Bewegen von Masse in eine Richtung parallel zur Achse der Schraube bestimmt ist. Da sich die Hubschraube um ein Vielfaches drehen muss, um die Last auf kurze Distanz voranzutreiben, wird mit ihrer Hilfe die Arbeit erleichtert. Obwohl es schwer zu visualisieren ist, ist ein gutes Beispiel für die Hubschraube ein üblicher Propeller, der in einem kleinen Flugzeug oder Boot zu finden ist., Wenn der Propeller durch eine vom Motor bereitgestellte Rotationskraft gesponnen wird, wird entlang seiner Rotationsachse eine lineare Kraft erzeugt, um Schub zu erzeugen. Luftfahrtingenieure haben dieses Werkzeug auch für Hubschrauberrotoren und Düsentriebwerke als außergewöhnlich vorteilhaft empfunden.
Neben dem Propeller sind eine Wendeltreppe, eine Mutter und ein Bolzen, eine Holzschraube, eine Schnecke, ein Bohrer, ein Schneckengetriebe und eine Windmühle gute Beispiele dafür, wie die Schraube heute in vielen hilfreichen technischen Systemen angewendet wird.